氣體介質(zhì)中飛秒光絲現(xiàn)象的數(shù)值研究.pdf

1、飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸時(shí)產(chǎn)生的一系列線性和非線性效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)中有許多潛在應(yīng)用，例如超連續(xù)譜激光探測(cè)與測(cè)量、高電壓放電控制與引導(dǎo)閃電、產(chǎn)生單光學(xué)周期脈沖與高次諧波。正因?yàn)檫@些誘人的潛在應(yīng)用，飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸才成為熱門的研究課題。到目前為止，共有兩種物理模型來描述飛秒強(qiáng)激光的傳輸，一種是九十年代就開始應(yīng)用的經(jīng)典模型，另一種是2010年之后才提出的包含高階克爾效應(yīng)的完整模型。經(jīng)典模型認(rèn)為飛秒強(qiáng)激光傳輸產(chǎn)生的光絲是由克爾自聚焦和等離子體散焦達(dá)到動(dòng)態(tài)

2、平衡形成的，而完整模型則認(rèn)為飛秒光絲是克爾自聚焦和高階克爾散焦達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的產(chǎn)物，等離子體的作用可以忽略。本論文采用此兩種模型，研究了飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸五個(gè)方面的內(nèi)容。
　　自V.Loriot等人測(cè)量了800nm波長(zhǎng)激光的空氣介質(zhì)主要成分的高階非線性折射率之后，高階克爾效應(yīng)成為研究熱點(diǎn)。P.Béjot等人提出了包含高階克爾效應(yīng)的完整模型，認(rèn)為無論是聚焦過程還是散焦過程，克爾效應(yīng)都處于主導(dǎo)地位，這意味著自導(dǎo)過程不一定依賴等離子體。隨

3、后關(guān)于經(jīng)典模型和完整模型誰占主導(dǎo)地位進(jìn)行了大量的研究，但是沒有統(tǒng)一的結(jié)論。采用兩種模型模擬飛秒強(qiáng)激光在空氣介質(zhì)中的傳輸，選取相同的初始參量，模擬結(jié)果顯示經(jīng)典模型峰值光強(qiáng)最大模擬值要比完整模型的峰值光強(qiáng)最大值高兩倍，而完整模型模擬出的光絲長(zhǎng)度約為經(jīng)典模型的兩倍。兩種模型的激光光強(qiáng)在光絲橫截面上的時(shí)空分布也不相同。
　　由于實(shí)驗(yàn)條件限制，最新測(cè)得的含有高階克爾項(xiàng)的非線性折射率存在大約10％的上下浮動(dòng)范圍，非線性折射率會(huì)影響飛秒光絲的成

4、絲特性，采用四組不同的折射率通過完整模型來研究其影響。峰值光強(qiáng)和軸上電子密度隨著折射率值的減小都是遞減的，而且折射率值越小，遞減的趨勢(shì)就越慢，光絲通道的長(zhǎng)度和半徑尺寸隨折射率的增加都是減小的。經(jīng)過分析光束傳輸?shù)讲煌恢玫墓鈴?qiáng)時(shí)空分布得出，非線性折射率不同，所產(chǎn)生的光強(qiáng)時(shí)空分布差別也較大。
　　飛秒強(qiáng)激光波長(zhǎng)從紫外區(qū)域覆蓋到紅外區(qū)域，不同顏色的激光在氣體中傳輸會(huì)產(chǎn)生不同的光絲。到目前為止，只測(cè)量了波長(zhǎng)為800 nm激光對(duì)應(yīng)的主要空氣

5、成分--氮?dú)?、氧氣和氨氣的高階非線性折射率，所以研究不同顏色激光成絲特性只能采用經(jīng)典模型。同時(shí)由于惰性氣體是單原子氣體，沒有拉曼散射也沒有分子氣體中分子締合與分子碎裂等效應(yīng)，因此選取氬氣為傳輸介質(zhì)。通過固定入射激光的能量和入射峰值功率與自聚焦臨界功率比值來研究三種不同顏色的激光在氬氣介質(zhì)中的成絲現(xiàn)象。相同條件下，短波長(zhǎng)的激光脈沖在氬氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的峰值光強(qiáng)高，電子密度大。短波長(zhǎng)的飛秒強(qiáng)激光脈沖形成的光絲通道不僅細(xì)長(zhǎng)而且穩(wěn)定，更重要的是，

6、光束半徑內(nèi)能量與總能量比值起伏較小，有利于長(zhǎng)距離傳輸。
　　飛秒強(qiáng)激光氣體傳輸時(shí)，電子密度的時(shí)空分布是變化的。電子密度主要由四種效應(yīng)來決定，它們是光電離效應(yīng)、雪崩電離效應(yīng)、電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)。大多數(shù)的數(shù)值模擬都考慮了光電離效應(yīng)，但是考慮雪崩電離效應(yīng)、電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)的比較少，尤其是后兩種效應(yīng)，多數(shù)學(xué)者都將之省略了。入射激光的時(shí)間脈寬范圍從10fs至300 fs，電子粘附效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)應(yīng)該會(huì)有所差別，更重要的是，在

7、高壓環(huán)境中粘附效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)的作用還比較重要。本文應(yīng)用完整模型分別在氬氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)中研究了不同氣體壓強(qiáng)和入射激光脈寬條件下產(chǎn)生的電子密度對(duì)飛秒光絲的影響。在氬氣介質(zhì)和空氣介質(zhì)中，考慮壓強(qiáng)因素時(shí)，上述后三種效應(yīng)的影響都是從初始的基本為零迅速增長(zhǎng)，最后達(dá)到穩(wěn)定。在后三種效應(yīng)中，雪崩電離的影響強(qiáng)度要比電子粘附效應(yīng)和電子復(fù)合效應(yīng)的強(qiáng)度稍微高一些?？諝饨橘|(zhì)中的電子密度值對(duì)壓強(qiáng)這一因素不如氬氣中的電子密度值對(duì)此因素敏感，在兩種介質(zhì)中，高壓環(huán)境的

8、模擬需要考慮此三種效應(yīng)。至于入射激光脈寬這一因素，盡管覆蓋了10fs至300 fs這么大的范圍，但是后三種效應(yīng)對(duì)飛秒光絲的影響還是特別小，可以忽略不計(jì)。
　　在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境中，不少學(xué)者使用經(jīng)典模型和含有高階克爾效應(yīng)的完整模型研究了飛秒強(qiáng)激光的成絲現(xiàn)象;在多變氣壓環(huán)境中，以往學(xué)者主要采用經(jīng)典模型。本文采用完整模型與經(jīng)典模型相對(duì)比的方法，研究不同壓強(qiáng)環(huán)境和延遲克爾效應(yīng)對(duì)飛秒成絲現(xiàn)象的影響。結(jié)果顯示，壓強(qiáng)對(duì)飛秒強(qiáng)激光傳輸產(chǎn)生的影響很大

9、。最重要的數(shù)值結(jié)果就是，對(duì)兩種模型來說，飛秒光絲長(zhǎng)度與壓強(qiáng)成反比關(guān)系、光絲半徑與壓強(qiáng)平方根成反比關(guān)系，同時(shí)，隨著壓強(qiáng)增加，光絲所含能量會(huì)減少。壓強(qiáng)尤其對(duì)脈寬較短的激光脈沖影響嚴(yán)重，甚至在脈寬很短時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生光絲。另一方面，在0.5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓至4倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍內(nèi)，完整模型模擬的光絲長(zhǎng)度為經(jīng)典模型模擬值的兩倍，這可以用來區(qū)分高階克爾效應(yīng)和等離子體散焦效應(yīng)誰起主導(dǎo)作用。無論是完整模型還是經(jīng)典模型，延遲克爾效應(yīng)都沒有改變光強(qiáng)箝位，只改變光強(qiáng)